高能粒子加速器与可控核聚变技术分析

刘长宁

河北省唐山市第一中学

高能粒子加速器与可控核聚变技术分析

刘长宁

河北省唐山市第一中学

高能粒子加速器是最近三十年来物理学和量子力学的热门研究方向，主要是采用高能设备，让粒子获得动能，从而可以做一些高级别的核物理研究。这一技术客观上促进了可控核聚变技术的发展，使用可以自由操纵的粒子可以很好地实现核聚变的控制，本文对其展开探讨。

高能粒子；加速器；可控核聚变

1 引言

从20世纪30年代到50年代后半期的20年时间里，加速器的能量增加了几百倍到几千倍。为寻找基本粒子，除了到宇宙线中去寻找外，就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力，把基本粒子紧紧地结合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加，在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。粒子加速器的规模已有大约一个大型机器制造厂，其用电量相当于一个中等城市。但是，尽管今日粒子加速器能量已经够大的了，可它仍然远远不能适应探索原子奥秘的要求，因此随着人们对原子奥秘探索的深入，粒子加速器仍会不断地改进。使用加速器储存环的结构，结构紧凑些，半径数米。环内部束团平均横向尺寸在几十厘米量级。采用低温正离子团，温度越低越好以减少热辐射损失，环内离子团有高占空比，平均流强高达百万安培量级，粒子能量处于远离相对论效应的能区，即低能高流强低温等离子流。使用超导铁提供相应的FQ聚焦系统以克服空间电荷效应将等离子体束团约束环内。对撞区用高磁场聚焦压缩束团横向尺寸至几十微米量级以提升对撞亮度，实验发现，高速粒子对于核聚变具有一定的控制作用。

2 高能粒子加速器探析

高能粒子加速器是一种使用电磁场将带电粒子推进到近光速的机器。粒子物理学中使用大型加速器作为对撞机（例如CERN的LHC、日本的KEK的KEKB、布鲁克海文国家实验室的RHIC和Fermilab的Tevatron等高级对撞机），或用于研究冷凝物理学的同步加速器光源。较小的粒子加速器用于各种应用，包括用于肿瘤学的粒子靶向治疗，用于医学诊断的放射性同位素生产，用于制造半导体的离子注入机和用于测量稀有同位素如放射性碳的加速器质谱仪。目前世界各地运行的加速器已超过30,000台。粒子加速器有两种基本类型：静电加速器和电动加速器。

静电加速器使用静电场来加速颗粒，最常见的类型是Cock⁃croft-Walton加速器和Van de Graaff加速器，例如普通老式电视机中的阴极射线管。这些器件中颗粒可达到的动能是由加速电压决定的，加速电压受电击穿的限制。另一方面，电动或电磁加速器使用电磁场、磁感应或振荡射频场来加速粒子。由于在这些磁场中，颗粒可以多次通过相同的加速场，所以输出能量不受加速场强度的限制。这种机器是大多数现代大型加速器的基础。粒子碰撞可以证明亚原子世界的结构，20世纪加速器通常被称为原子分离器，大多数加速器实际上推动了亚原子粒子被发现。在氧化物燃料中存在强烈的温度梯度，导致裂变产物迁移。锆倾向于移动到温度最高的燃料颗粒的中心，而低沸点裂变产物移动到颗粒的边缘。颗粒很可能含有许多在使用过程中形成的小气泡样孔，氙迁移到这些空隙。这些氙气中的一些会形成铯，因此许多气泡含有大量的137Cs。这就说明了核反应和高速的粒子运动有着重要的联系。

3 可控核聚变技术

在核物理学中，核聚变是两个或多个原子核质量接近以形成一个或多个不同原子核和亚原子粒子比如中子或质子的反应。产物和反应物之间的碰撞表现为释放大量的能量。质量差异是由于反应前后的原子核之间的原子结合能的差异而产生的。一般来说，产生比铁-56或镍-62更轻的核的融合过程通常会产生净能释放。这些元素分别具有每个核子最小的质量和最大的结合能。轻核元素融合而释放能量，而产生比这些元素更重的核的融合物将导致由所得核子保留能量，并且所得到的反应是吸热的。较轻的元素，如氢元素和氦元素，通常更易于融合聚变，而较重的元素，如铀和钚则更易裂变。超新星可以产生足够的能量将核熔合成比铁重的元素。在物理学家弗里德里希·洪德发现量子隧道之后，罗伯特·阿特金森和弗里茨·胡特曼斯利用轻质元素证明，通过融合小核可释放大量的能量。在早期进行的欧内斯特·卢瑟福的核蜕变实验的基础上，氢同位素的实验室融合首先由马克·奥利芬特于1932年完成。军事上面的核聚变研究始于20世纪40年代初，是曼哈顿计划的一部分。大规模的核聚变首先在1952年11月1日在常春藤麦克氢弹试验中进行。在1950年代开始认真研究开发用于民用的受控热核聚变技术，并持续到今天。

与可控核聚变技术相关联的还有乏燃料的储运技术，这对于核聚变的可控性也是极为关键的。乏燃料是已经在核反应堆或者核电厂使用的核燃料，在普通热反应堆中不再用来维持核反应，并且根据核燃料循环的观点，它可能已经具有不同的同位素成分。当一个核反应堆关闭并且核聚变链反应已经停止时，由于聚变产物的β衰变，燃料中仍然会产生大量的热量。因此，在反应堆停机时，如果电抗器具有长期稳定的电力历史，则衰减热量将约为先前核心功率的约7%。关闭后约1小时，衰减热量将约为之前功率的1.5%。一天之后，热量降至0.4%，一周后将下降0.2%。随着时间的推移，衰变热产量将继续缓慢下降。已经从反应器中取出的废燃料通常储运在充满水的乏燃料池中一年或更长时间，以便将其冷却并提供屏蔽其放射性。乏燃料池设计通常不依赖于被动冷却，而是要求水通过热交换器被主动泵送，只有在乏燃料池稳定运行的情况下，才能够做好核聚变的控制与管理工作。

4 总结

安全高效的粒子加速可以保证核聚变反应有条不紊进行，而且人们也更加地依赖于利用核能。但是在一定程度上，过度依靠核能也不完美，如果出现故障，那么将会使工程陷入大瘫痪之中。而且对于人员的要求也很高，要及时建立对粒子加速单元与核聚变控制系统加以维护，防止因为故障而影响到设备和人员的安全。

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刘长宁（2000-），男，汉，河北省唐山人，学历：高中生，单位：河北省唐山市第一中学。